Sédimentologie, stratigraphie séquentielle et cyclostratigraphie du Kimméridgien du Jura suisse et du Bassin vocontien (France): relations plate-forme - bassin et facteurs déterminants

Sédimentologie, stratigraphie séquentielle et

cyclostratigraphie du Kimméridgien

du Jura suisse et du Bassin vocontien (France):

relations plate-forme – bassin et facteurs

déterminants.

THÈSE

présentée à la Faculté des Sciences de l’Université de Fribourg (Suisse)

pour l’obtention du grade de Doctor rerum naturalium

Claude COLOMBIÉ

de Montélimar, France

Thèse N˚ 1380

Prof. André STRASSER, Université de Fribourg (Suisse)

Prof. Marcos AURELL, Université de Saragosse (Espagne)

Prof. Georges GORIN, Université de Genève (Suisse)

Fribourg, le 28 juin 2002

Le Doyen: Prof. Alexander von Zelewsky

RÉSUMÉ ABSTRACT REMERCIEMENTS

1 - I

1.2.1 Historique 1.2.2 Lithostratigraphie 1.2.3 Biostratigraphie

1.3 LE KIMMÉRIDGIENDU BASSINVOCONTIEN 1.3.1 Historique

1.3.2 Lithostratigraphie 1.3.3 Biostratigraphie 1.4 MÉTHODOLOGIE

2 - F

– J

2.1 DÉFINITIONS 2.2 ELÉMENTSFIGURÉS

2.2.1 Grains carbonatés non-bioclastiques 2.2.2 Grains carbonatés bioclastiques 2.2.3 Grains non-carbonatés 2.3 STRUCTURESSÉDIMENTAIRES 2.3.1 Structures biogéniques 2.3.2 Structures hydrauliques 2.3.3 Structures d’émersion 2.4 DIAGENÈSE 2.5 ZONESDEFACIÈS 2.6 MODÈLEDEFACIÈS

T

ABLE

DES

MATIÈRES

13 15 16 18 18 17 22 26 14 15 16 17 17 32 19 23 12 12 12 13 27 27 28 29 19 31 30 5 7 9

3 - F

– B

4 - I

J

B

VOCONTIEN

4.1 INTRODUCTIONÀL’INTERPRÉTATIONSÉQUENTIELLEDESCOUPES 4.1.1 Définition d’une séquence de dépôt

4.1.2 Facteurs responsables de la formation des séquences de dépôt 4.1.3 Surfaces de discontinuité

4.1.4 Cortèges sédimentaires

4.1.5 Superposition de plusieurs cycles de fluctuations du niveau marin relatif de fréquence et d’amplitude variables

4.2 SÉQUENCESDEDÉPÔT

4.2.1 Séquences de dépôt du Kimméridgien du Jura central 4.2.2 Séquences de dépôt du Kimméridgien du Bassin vocontien 4.3 INTERPRÉTATIONSÉDIMENTOLOGIQUEETSÉQUENTIELLEDESCOUPESDU JURACENTRAL

4.3.1 Les Gorges du Pichoux 4.3.2 Les Gorges de Court 4.3.3 Péry-Reuchenette

4.4 INTERPRÉTATIONSÉDIMENTOLOGIQUEETSÉQUENTIELLEDESCOUPESDU BASSINVOCONTIEN 4.4.1 La Montagne de Crussol

4.4.2 Châteauneuf d’Oze 4.4.3 Les Gorges de la Méouge

4.4.4 Stratigraphie des microfossiles pélagiques

5 - C

5.1 CORRÉLATIONSDANSLE JURACENTRAL 5.1.1 Marqueurs

5.1.2 Résultats

5.2 CORRÉLATIONSDANSLE BASSINVOCONTIEN

5.2.1 Marqueurs 5.2.2 Résultats

5.3 CORRÉLATIONSENTRELE JURACENTRALETLE BASSINVOCONTIEN 5.3.1 Méthode 5.3.2 Résultats

6 - C

6.2 COMPARAISONSDESRÉSULTATSOBTENUSAVECLACHRONOSTRATIGRAPHIE

6.2.1 Difficultés d’interprétation liées à un taux de sédimentation réduit dans le bassin

35 35 35 35 38 37 39 39 40 42 43 42 44 44 51 53 63 54 70 79 79 85 93 88 95 10195 104 104 104 104 105 105 107 107 107 108 109 108

6.2.2 Difficultés d’interprétation liées à une diminution importante de l’espace disponible sur la plate-forme

6.2.3 Difficultés d’interprétation liées à un événement tectonique local : les Calcaires de la Sémine

6.3 COMPARAISONAVECLESRÉSULTATSOBTENUSPARD’AUTRESAUTEURSDANSLE JURAETLE BASSINVOCONTIEN, OUDANS D’AUTRESBASSINSEUROPÉENS

6.4 DURÉEDESSÉQUENCESDELONGTERME

7 - I

,

7.1 ISOTOPESDEL’OXYGÈNEETDUCARBONE 7.1.1 Résultats des analyses 7.1.2 Interprétation et discussion 7.2 ARGILES

7.2.1 Résultats des analyses 7.2.2 Interprétation et discussion 7.3 PALYNOFACIÈS

8 - G

8.1 GÉNÉRALITÉS

8.1.1 Les éléments dans l’eau de mer

8.1.2 L’incorporation des éléments traces dans les carbonates 8.1.3 L’utilisation des éléments traces en sédimentologie 8.1.4 Le fer et le manganèse

8.1.5 Le sodium, le magnésium et le strontium 8.2 MÉTHODEANALYTIQUE

8.2.1 Le choix des échantillons 8.2.2 La préparation des échantillons 8.2.3 La mise en solution des échantillons

8.2.4 La planification des teneurs en calcium et le dosage 8.3 RÉSULTATSDESANALYSES

8.3.1 Description des variations du pourcentage de carbonates et des concentrations en éléments traces

8.3.2 Corrélations du pourcentage de carbonates et des concentrations en éléments traces 8.3.3 Corrélations du pourcentage de carbonates, des concentrations en éléments traces et de la

quantité de quartz

8.3.4 Corrélations de l’ensemble des résultats avec l’interprétation séquentielle 8.4 INTERPRÉTATIONETDISCUSSION

9 - L

K

J

:

,

/

?

9.1 PRINCIPALESVARIABLESRESPONSABLESDELADYNAMIQUEDESPLATES-FORMESCARBONATÉES 9.1.1 La tectonique

9.1.2 L’eustatisme 9.1.3 Le climat

9.2 LE KIMMÉRIDGIENDU JURACENTRAL : TECTONIQUE, EUSTATISMEET/OUCLIMAT ? 9.2.1 La partie inférieure A

9.2.2 La partie inférieure B 9.2.3 La partie supérieure

9.3 COMPARAISONAVECLE KIMMÉRIDGIENDU SUDDEL’ANGLETERRE

110 111 111 113 115 115 117 119 119 119 120 123 123 123 124 124 124 125 125 125 125 125 125 125 128 128 128 129 131 131 132 133 133 133 135 137 139

10 – F

K

B

10.1 MÉCANISMERESPONSABLEDELAFORMATIONDESSÉQUENCES 10.1.1 Productivité planctonique

10.1.2 Dilution par les argiles 10.1.3 Dilution par les carbonates

10.2 MODÈLEDEFORMATIONDESSÉQUENCESDEPLUSBASSEFRÉQUENCE

10.3 MODÈLEDEFORMATIONDESSÉQUENCESDELONGTERME, DEMOYENTERME (400 KA) ETDECOURTTERME (100 KA)

10.3.1 Variations de l’épaisseur des bancs calcaires et du pourcentage de marnes sur le long terme

10.3.2 Variations de l’épaisseur des bancs calcaires et du pourcentage de marnes sur le moyen (400 ka) et sur le court terme (100 ka)

10.3.3 Interprétation des marnes dans le maximum d’inondation

10.3.4 Interprétation des bancs calcaires épais dans le maximum d’inondation

11 - C

11.1 ENVIRONNEMENTSDEDÉPÔTDU JURACENTRALETDU BASSINVOCONTIENAUCOURSDU KIMMÉRIDGIEN 11.2 SÉQUENCESDEDÉPÔTDU KIMMÉRIDGIENDU JURACENTRALETDU BASSINVOCONTIEN

11.3 CORRÉLATIONSDANSLE JURACENTRAL, DANSLE BASSINVOCONTIENETENTRELAPLATE-FORMEETLEBASSIN 11.4 FACTEURSRESPONSABLESDESVARIATIONSDEL’ESPACEDISPONIBLEDANSLE JURACENTRALAUCOURSDU

KIMMÉRIDGIEN

11.5 FORMATIONDESSÉQUENCESDEDÉPÔTDU KIMMÉRIDGIENDU BASSINVOCONTIEN 11.6 PERSPECTIVES BIBLIOGRAPHIE PLANCHES ANNEXES CURRICULUMVITAE 141 141 142 142 143 145 145 146 146 147 149 149 150 150 151 151 153 163 183 198

À l’heure actuelle, peu de travaux concernent les épaisses séries calcaires soi-disant homogènes du Kimméridgien du Jura central. Ainsi, la stratigraphie comme les facteurs (tectonique, eustatisme, climat, production et accumulation de carbonates) qui déterminent la dynamique de la plate-forme sont respectivement mal définis voire inconnus. L’analyse sédimentologique détaillée, l’interprétation séquentielle et cyclostratigraphique du Kimméridgien du Jura central et des corrélations avec le Kimméridgien du Bassin vocontien aboutissent à un cadre stratigraphique précis et de haute-résolution, à la définition des principaux facteurs qui déterminent le développement de la plate-forme peu profonde du Jura au cours du Kimméridgien, et à l’établissement d’un modèle de formation des séquences de dépôt du Kimméridgien inférieur du Bassin vocontien.

L’étude détaillée des faciès sédimentaires de trois coupes – Gorges du Pichoux, Gorges de Court, et Péry-Reuchenette – situées au Nord-Est de Bienne en Suisse permet d’établir un modèle de faciès et une interprétation séquentielle et cyclostratigraphique précise du Kimméridgien du Jura central. Les faciès sédimentaires sont relativement diversifiés, et correspondent principalement à des milieux de dépôt de plate-forme interne, très peu profonds, calmes et à salinité variable. Basés sur l’évolution au cours du temps des environnements de dépôt, de l’épaisseur des bancs et des discontinuités, quatre ordres de séquences de dépôt sont définis: les séquences élémentaires, de court terme, de moyen terme et de long terme. Les différents types de séquences de dépôt sont hiérarchiquement empilés, et leurs rapports suggèrent que la dynamique de la plate-forme peu profonde du Jura était au Kimméridgien en partie contrôlée par les variations des paramètres orbitaux de la Terre. En l’absence de marqueurs biostratigraphiques précis, qui sont indispensables pour dater les intervalles stratigraphiques et confirmer l’hypothèse d’un contrôle

R

ÉSUMÉ

orbital sur la sédimentation, les coupes du Jura central sont corrélées avec trois coupes du Bassin vocontien parfaitement datées par ammonites.

L’interprétation sédimentologique, séquentielle et cyclostratigraphique de trois coupes – Montagne de Crussol, Châteauneuf d’Oze, et Gorges de la Méouge – situées dans le Bassin vocontien en France, aboutit à la définition de plusieurs ordres de séquences de dépôt, qui correspondent aux différents types de séquences observés dans le Kimméridgien du Jura central. Les similitudes qui existent entre l’interprétation séquentielle et cyclostratigraphique des coupes du Jura et du Bassin vocontien permettent à partir d’un niveau repère de corréler les coupes de la plate-forme et du bassin. À partir de ces corrélations de haute résolution, le cadre chronostratigraphique défini pour le Kimméridgien du Jura central et du Bassin vocontien est comparé à celui qui est proposé par HARDENBOL et

al. (1998) pour le Kimméridgien du domaine téthysien. Cinq limites de séquences de troisième ordre sont définies qui correspondent à cinq limites de séquences de moyen terme définies dans le Jura et dans le Bassin vocontien. La durée des séquences de troisième ordre qui est donnée par HARDENBOL et al. (1998)

est divisée par le nombre de séquences élémentaires qui est compté pour le même intervalle de temps dans la coupe des Gorges de la Méouge, qui est la plus éloignée de la plate-forme du Jura. D’après ces calculs, la durée d’une séquence élémentaire est approximativement égale à la période du cycle de la précession (i.e. 20 ka). De plus, les séquences de court terme sont généralement composées de 5 séquences élémentaires, et les séquences de moyen terme contiennent 4 séquences de court terme. En supposant qu’une séquence élémentaire dure 20 ka, la durée des séquences de court terme et de moyen terme correspond respectivement à la période du premier et du deuxième cycle de l’excentricité (i.e. 100 et 400 ka). De même, la durée des séquences de long

terme varie entre 800 ka et 1,2 Ma, et correspond au troisième ordre de VAIL et al. (1991). Enfin,

l’intervalle étudié comprend 32 séquences de court terme, qui représentent une durée totale de 3,2 Ma. La durée du Kimméridgien obtenue à partir des données radiométriques est égale à 3,12 Ma (GRADSTEIN

et al., 1994; 1995; HARDENBOL et al., 1998). Par

conséquent, la durée calculée à partir de l’interprétation cyclostratigraphique des coupes du Jura et du Bassin vocontien correspond aux résultats obtenus par ailleurs, et confirme la validité de la méthode employée dans ce travail.

L’analyse des isotopes stables de l’oxygène et du carbone et des éléments traces (Sr, Mg, Na, Fe et Mn) a été réalisée sur la coupe des Gorges du Pichoux pour confirmer les corrélations entre la plate-forme et le bassin. La relation entre les résultats obtenus dans ce travail et ceux qui sont publiés pour les coupes de Châteauneuf d’Oze et de la Méouge (DE RAFÉLIS,

2000) n’est à priori pas évidente. Néanmoins, les variations du ∂13_{C et des concentrations en éléments} traces sont cohérentes avec l’évolution de la plate-forme du Jura au cours du Kimméridgien, et offrent de très intéressantes perspectives de recherche.

Les corrélations des coupes du Jura central mettent en évidence deux parties principales. La partie inférieure s’étend de la zone d’ammonites à Platynota à la zone à Acanthicum. Elle est essentiellement composée de bancs calcaires fins à moyennement épais, et présente une quantité relativement importante de terrigènes (argiles, quartz et charbon) et de nombreux indices d’émersion. La partie supérieure comprend les zones d’ammonites à Eudoxus et à Beckeri. Elle se distingue par une grande proportion de bancs calcaires épais, par la quasi-disparition des terrigènes et des indices d’émersion, et par le développement des algues vertes. La limite entre ces deux parties correspond à la plus importante augmentation d’espace d’accommodation enregistrée au cours du Kimméridgien dans le Jura central. Par ailleurs, la partie inférieure se compose de deux parties distinctes qui sont interprétées comme des séquences de dépôt de long terme. La première séquence est comprise entre les zones d’ammonites à Platynota et à Divisum, et enregistre une diminution de l’espace d’accommodation et de la production de carbonates, alors que la deuxième séquence coïncide avec la zone à Acanthicum, et enregistre une importante augmentation de l’espace disponible et de la production de carbonates. Les deux séquences qui composent la partie inférieure de l’intervalle étudié correspondent

respectivement à la fin du dépôt de haut-niveau (lHD) et au dépôt de bas niveau et transgressif (LD et TD) d’une séquence de dépôt de plus basse fréquence, alors que la partie supérieure est interprétée comme le début du dépôt de haut niveau (eHD). Enfin, les variations latérales de l’épaisseur des séquences de dépôt et l’évolution dans le temps des faciès sédimentaires mettent en évidence des événements tectoniques d’extension croissante de la partie inférieure à la partie supérieure du Kimméridgien du Jura central. Sur la base de l’ensemble des résultats obtenus dans ce travail, la diminution de l’espace disponible et de la production de carbonates entre les zones d’ammonites à Platynota et à Divisum résulte probablement des effets combinés d’un climat semi-aride avec une saison humide relativement importante et d’une diminution du niveau marin eustatique de long terme. De plus, l’augmentation de l’espace disponible et de la production de carbonates dans la zone à Acanthicum est vraisemblablement la conséquence d’une augmentation de l’aridité, de la vitesse de subsidence du bassin et/ou du niveau marin eustatique. Enfin, les mêmes facteurs sont probablement la cause de l’importante augmentation de l’espace disponible et de la production de carbonates qui caractérise le Kimméridgien supérieur du Jura central. Conformément au Kimméridgien du Sud de l’Angleterre (TAYLOR et al., 2001), l’approfondissement

majeur enregistré dans le Jura central est situé dans la zone d’ammonites à Eudoxus, et résulte de changements environnementaux majeurs liés au renforcement de l’activité tectonique globale.

Les corrélations de haute résolution entre le Jura et le Bassin vocontien révèlent que les périodes de diminution ou d’augmentation de la production de carbonates mises en évidence sur la plate-forme coïncident respectivement avec des périodes de diminution ou d’augmentation de l’accumulation de carbonates dans le bassin. Par conséquent, le mécanisme déterminant dans la formation des séquences de dépôt au Kimméridgien dans le Bassin vocontien est probablement l’exportation de carbonates de la plate-forme vers le bassin. Différents modèles basés sur la combinaison des variations du potentiel de production des environnements marins peu profonds et du potentiel d’exportation, qui sont probablement influencées par plusieurs ordres superposés de variations du niveau marin relatif, sont proposés pour expliquer la formation des séquences de plus basse fréquence d’une part et des séquences de long, de moyen et de court terme d’autre part.

A detailed sedimentological, sequential and cyclostratigraphic interpretation of the Kimmeridgian in the Swiss Jura defines the principal factors which control the different stages in the development of a shallow-water carbonate platform. A comparative study in the Vocontian Basin reveals their impact on hemipelagic and pelagic sedimentation.

The sedimentary facies of three platform sections – Gorges de Court, Gorges du Pichoux, and Péry-Reuchenette – located to the North of Biel in the central Jura have been studied in great detail. Facies are representative of restricted to open-marine depositional environments. Low-energy lagoonal deposits such as mudstones and bioclast-peloid wackestones to packstones are dominant. Higher-energy grainstones composed of bioclasts, peloids, and ooids occur in lesser proportion. The analysis of the evolution through time of sedimentary facies, bed thicknesses, and sedimentological features of bedding surfaces results in a precise sequential and cyclostratigraphic interpretation of the Kimmeridgian in the central Jura. Different orders of depositional sequences are defined: elementary, small-scale, medium-scale and large-scale sequences, which are hierarchically stacked and suggest an orbital control on sedimentation. In order to confirm the cyclostratigraphic interpretation of the Kimmeridgian in the central Jura, where a precise biostratigraphic and chronostratigraphic framework is lacking, the platform sections are correlated with well-dated sections in the Vocontian Basin.

The sedimentological, sequential and cyclostatigraphic interpretation of three basinal sections – Montagne de Crussol, Châteauneuf d’Oze, and Gorges de la Méouge – leads to the definition of different orders of depositional sequences, which are comparable to the ones defined on the platform. The Vocontian Basin sections are correlated with the Jura sections according to the similarity that

A

BSTRACT

exists between the sequential and cyclostratigraphic framework defined in both realms. Thanks to the high-resolution platform-to-basin correlations, the Kimmeridgian chronostratigraphy defined in the Jura and in the Vocontian Basin is compared with the one proposed by HARDENBOL et al. (1998). The

third-order sequence boundaries defined by HARDENBOL et

al. (1998) in the Kimmeridgian of the Tethyan realm correspond to five medium-scale sequence boundaries revealed in the Jura and the Vocontian Basin. The third-order sequence duration given by HARDENBOL et

al. (1998) is divided by the number of elementary sequences counted in the same time interval in the Gorges de la Méouge section, which is the section remotest from the Jura platform. According to these calculations, the duration of an elementary sequence is approximately equivalent to the 20 ky orbital precession cycle. Furthermore, small-scale sequences are generally composed of five elementary sequences, and medium-scale sequences contain four small-scale sequences. Assuming that an elementary sequence is equal to 20 ky, small-scale and medium-scale sequences coincide with the first and second eccentricity cycles respectively (i.e. 100 and 400 ky). The duration of the large-scale sequences is comprised between 800 ky and 1.2 My, which corresponds to the third order of VAIL

et al. (1991). The studied interval is composed of 32 small-scale sequences or 8 medium-scale sequences, implying a duration of 3.2 My for the Kimmeridgian. This cyclostratigraphic interpretation is consistent with the radiometrically deduced duration of 3.12 My

(GRADSTEIN et al. 1994, 1995; HARDENBOL et al., 1998).

Consequently, the dynamics of the Jura platform and the Vocontian Basin were partly controlled by cyclic environmental changes induced by insolation variations in the Milankovitch frequency band. The combination of detailed sedimentology, sequence stratigraphy, cyclostratigraphy, and high-resolution platform-to-basin correlation represents an excellent alternative to biostratigraphy for the dating of the Upper

Jurassic shallow-water carbonate deposits, which are devoid of precise biostratigraphic markers.

Analysis of stable isotopes and trace elements (Sr, Mg, Na, Fe, and Mn) has been performed in the Gorges du Pichoux section in order to confirm the high-resolution platform-to-basin correlation. The correlation between the variations of ∂13_{C and trace} elements defined on the platform and the ones available in the basin (DE RAFÉLIS, 2000) seems a priori difficult.

However, the variations of ∂13_{C and trace elements} are consistent with the platform evolution during the Kimmeridgian, and their contribution to a better understanding of the global system is important.

The correlation of the platform sections reveals two parts with different characteristics, corresponding approximately to the Lower and Upper Kimmeridgian. The first part exhibits thinly bedded limestones with siliciclastics and desiccation features. The second part is characterised by thickly bedded limestones, the quasi-disappearance of siliciclastics and desiccation features, and the development of green algae. The transition between the Lower and the Upper Kimmeridgian corresponds to the strongest increase of accommodation recorded in the central Jura during the Kimmeridgian. Furthermore, the Lower Kimmeridgian comprises two different intervals, which correspond to large-scale sequences. The first one is comprised between the Platynota and Divisum ammonite zones and records a decrease of accommodation and carbonate production, while the second interval coincides with the Acanthicum zone and implies an important increase of accommodation and carbonate production. The two lower intervals correspond respectively to the late highstand deposit (lHD) and to the lowstand and transgressive deposits (LD and TD) of a lower-frequency depositional sequence, while the upper part

coincides with the early highstand deposit (eHD). Finally, lateral variations of sequence thicknesses and the evolution through time of sedimentary facies reveal local to regional tectonic events, which occur in pulses during the Lower and Upper Kimmeridgian. According to the results obtained in this work, the decrease of accommodation and carbonate production between the Platynota and Divisum ammonite zones is probably due to the combination of a semi-arid climate with a prominent humid season and a eustatic sea-level drop. The increase of accommodation and carbonate production in the Acanthicum zone results from a more arid climate, an increased subsidence rate and/or a rise of eustatic sea-level. The same factors are probably responsible for the strong increase of accommodation and carbonate production that characterise the Upper Kimmeridgian. In conformity with southern England

(TAYLOR et al., 2001), the most important gain in

accommodation recorded in the central Jura coincides with the second-order Upper Jurassic transgression, which reached its maximum in the Eudoxus ammonite zone. This evolution is probably linked to major environmental changes due to global tectonics.

The sedimentological features of the Kimmeridgian hemipelagic and pelagic facies in the Vocontian Basin, the variations of carbonate production in the Jura and carbonate accumulation in the basin reveal that carbonate export from the platform to the basin is probably the controlling process for cycle formation in the Vocontian Basin. Different models combining carbonate productivity in shallow-water marine environments and carbonate export from the platform to the basin (influenced by several superimposed orders of sea-level fluctuations) are proposed for the generation of lower-frequency, large-scale, medium-large-scale, and small-scale sequences.

Je me souviendrai longtemps du jour où j’ai posé pour la première fois les pieds à Fribourg. C’était l’automne, et le temps était exceptionnel. L’air était limpide, et la vue sur les Préalpes, magnifique. D’abord séduite par la ville, j’ai ensuite été ravie de rencontrer le Prof. André Strasser, mon directeur de thèse, qui a spontanément détendu l’atmosphère en instaurant un dialogue d’égal à égal. Notre entrevue s’est terminée par un test d’aptitude physique travesti en visite de la vieille ville (! …), puis à la terrasse d’un restaurant où nous avons trinqué à notre future coopération. Je commençais officiellement un doctorat à l’Institut de Géologie et de Paléontologie de l’Université de Fribourg, et c’était bien au-delà de mes espérances. Merci André de m’avoir offert la possibilité de développer mes connaissances sur le fonctionnement complexe des systèmes sédimentaires carbonatés. La sédimentologie des carbonates est un domaine passionnant qui n’a cessé au cours de ces dernières années d’éveiller ma curiosité et de nourrir mon intérêt. Mon séjour s’achève, et mon souhait le plus cher est de continuer aussi longtemps que possible le travail que j’ai commencé. Je te remercie également pour ta disponibilité, ta simplicité et ton humanité, pour ta confiance et ton soutien, pour m’avoir poussé sans jamais avoir imposé ton avis, et pour la souplesse de ton encadrement qui m’a laissé beaucoup de liberté, et le loisir de développer certains aspects en marge des axes de recherche propres à l’école fribourgeoise.

Je tiens également à remercier le Prof. Christian Caron, directeur de l’Institut de Géologie et de Paléontologie, pour m’avoir confié un poste d’assistante qui m’a permis de mener et de terminer mon doctorat dans les meilleures conditions, ainsi que pour l’ensemble des moyens qu’il met en œuvre chaque jour pour offrir aux membres de l’Institut des conditions de travail hors pair. Ma reconnaissance va également au Prof. Michèle Caron pour sa grande disponibilité,

R

EMERCIEMENTS

son écoute attentive et ses remarques sensées. Enfin, un grand merci à Christian et Michèle pour leur prévoyance et leur grande hospitalité!

Je remercie le Prof Georges Gorin de l’Université de Genève pour l’analyse des palynofaciès, et pour avoir accepté de participer au jury de cette thèse.

De même, j’adresse ma reconnaissance au Prof. Marcos Aurell de l’Université de Saragosse d’avoir accepté au pied levé, suite à une demande inopinée de ma part, d’être membre du jury. J’ai souvent pensé à vous lors de la rédaction de ce travail en essayant d’être la plus claire possible!

Je remercie les précédents doctorants d’André pour avoir placé la barre si haut: Jean-Bruno Pasquier, pour sa gentillesse et ses remarques judicieuses, ainsi que pour le compte rendu quotidien et détaillé des résultats du Fribourg Gottéron; Bernard Pittet, qui m’a accepté dans son bureau à mon arrivée à Fribourg et dont l’ardeur au travail a d’entrée beaucoup impressionné la débutante que j’étais. Je te remercie notamment de m’avoir reçu à Lyon, pour ton écoute attentive et tes questions pertinentes qui m’ont permis de faire le point et d’avancer dans mon raisonnement. Je remercie également Wolfgang Hug pour son enthousiasme et sa bonne humeur, pour m’avoir présenté le Jurassique supérieur du Jura, et pour son aide active sur le terrain; Wolfgang et Heiko Hillgärtner, pour leur soutien technique et les discussions, parfois houleuses mais le plus souvent enrichissantes, que nous avons eu; Christophe Dupraz pour sa gentillesse, sa grande disponibilité et sa patience. Encore désolée d’avoir à maintes reprises perturbé ta concentration et quelquefois manqué de respect au monde microbien!

Parmi le personnel de l’Institut, j’adresse tout particulièrement mes remerciements à: Laurent Picot,

mon camarade d’exil, pour sa gentillesse et son soutien. Je continue de penser que ce serpent n’était qu’une hallucination, mais je suis sûre qu’il m’aurait fallu deux fois plus de temps pour vaincre seule, les broussailles et les éboulis. Du fond du cœur, tout de bon pour la suite! Florence Dapples, pilote et co-pilote de choc du “ Chupa bus ” et grande joueuse de badminton, pour sa gentillesse, sa grande disponibilité et son aide active en tant qu’informaticienne, professeur d’anglais et critique littéraire … Merci infiniment! Sophie Wolf, de l’Institut de Minéralogie, pour nos rencontres sportives, gastronomiques, et parfois enivrantes, pour sa générosité, son écoute et son soutien. Merci d’avoir été là! Elias Samankassou, chouchou de ses dames et gourmand invétéré, pour ses conseils avisés de sédimentologue expérimenté et son aide active sur le terrain. Et tous les autres … Prof. Jean-Pierre Berger, Raymond Plancherel, Niels Rameil, Damien Becker, Daniel Oswald, Luc Braillard, Stefan Dall’Agnolo, Chantal Python, Hugo Raetzo, Regina Hable et Maxime Gjermeni.

Je tiens également à remercier le personnel technique de l’Institut: le magicien Patrick Dietsche, qui transforme de vulgaires cailloux en précieux outils de travail, ainsi que Daniel Cuennet et Françoise Mauroux pour leur gentillesse et tous les services rendus.

Tous les instants passés avec les étudiants au cours des séances de travaux pratiques et pendant les excursions sont également mémorables, et à juste titre! … Merci à tous pour votre accueil. Je pense tout particulièrement à Marco qui s’est comporté en parfait assistant. Merci pour les bons moments que nous avons partagés. Magnifique! Un grand merci également à Pascal, pour son enthousiasme et sa bonne humeur, pour les bonnes bouffes et le bon vin. Extrême!

J’aimerais aussi remercier Laurent Emmanuel pour m’avoir accueilli à Dijon et introduit à la géochimie des éléments traces. J’en profite pour remercier Benoît Vincent et Nathalie Guichard pour leur aide efficace.

Je remercie également le Prof. Jean-François Deconinck de l’Université de Lille pour l’analyse des minéraux argileux.

Je tiens aussi à remercier le Prof. Christian Meyer pour m’avoir accompagné sur le terrain et reçu à Bâle.

Ma reconnaissance s’adresse également au Prof. François Atrops de l’Université de Lyon et au Dr. Alexis Moussine-Pouchkine de l’Université de Montpellier, qui m’ont donné de précieux conseils pour le choix des coupes du Bassin vocontien.

Je remercie de même la Cimenterie S.A. Vigier de m’avoir permis d’accomplir mon travail en m’autorisant bon gré mal gré l’accès à la carrière de Péry-Reuchenette.

Je tiens également à remercier le Fond National Suisse pour son soutien financier (projets n° 20-46625.96 et 20-56491.99).

Je profite de l’occasion pour adresser mes remerciements à la Famille Schneiter de la Ferme Imaginaire de Champoz et la Famille Gyger de Sornétan pour la qualité de leur accueil, pour m’avoir permis de goûter aux charmes du Jura et d’en apprécier toutes les saveurs, pour l’odeur du foin fraîchement coupé, pour l’appel des ânes trop tôt le matin, pour la douceur des repas partagés au soleil couchant …

Enfin, je réserve mes plus profonds remerciements à mes parents, Thérèse et Jean-Marie, et à ma soeur, Estelle, pour leur confiance aveugle et leur soutien sans limite, pour avoir respecté mes choix et pour m’avoir encouragé à les suivre jusqu’au bout. Je vous en serai éternellement reconnaissante. Je remercie également mes plus proches amis pour leur écoute et leur soutien: Muriel, Sophie, David et ses parents, Josiane et Jean-Pierre, Geoffrey … Et tous ceux qui volontairement ou non, d’une manière ou d’une autre, m’ont apporté leur aide.

La stratigraphie séquentielle est née à la fin des années 70. Elle représente un outil incomparable pour l’exploration pétrolière dans la mesure où elle permet de localiser les corps réservoirs et de reconstruire leur géométrie. En recherche fondamentale, la stratigraphie séquentielle est utile pour comprendre la dynamique des systèmes sédimentaires fossiles et définir les facteurs qui contrôlent l’enregistrement sédimentaire au cours d’une période donnée. La cyclostratigraphie se base sur l’enregistrement sédimentaire des perturbations environnementales liées aux variations des paramètres orbitaux de la Terre. La précession, l’obliquité et l’excentricité changent respectivement tous les 20 ka, 100 ka et 400 ka en moyenne, et entraînent la formation de cycles sédimentaires de durée équivalente. La cyclostratigraphie est à l’heure actuelle peu utilisée par les pétroliers, son pouvoir de résolution étant supérieur à celui des techniques d’exploitation. En revanche, elle est très utile en recherche fondamentale pour quantifier les processus sédimentaires, et pour comprendre la dynamique des systèmes sédimentaires fossiles à l’échelle de quelques milliers d’années.

La combinaison de la stratigraphie séquentielle et de la cyclostratigraphie est une approche très puissante pour comprendre les mécanismes complexes qui contrôlent la dynamique d’un système sédimentaire, et pour corréler des domaines paléogéographiques différents. Cette approche nécessite une analyse et une interprétation très détaillées des faciès sédimentaires, un cadre biostratigraphique précis, et la contribution d’autres disciplines comme la géochimie, la minérologie des argiles, ou la palynologie. Les concepts et les applications de la stratigraphie séquentielle et de la cyclostratigraphie sont en pleine expansion, et l’étude du Kimméridgien du Jura suisse et du Bassin vocontien est une pierre de l’édifice.

L’objectif de ce travail est de définir les facteurs comme la tectonique, l’eustatisme, le climat, et la production et l’accumulation de carbonates qui contrôlent la dynamique de la plate-forme peu profonde du Jura suisse au cours du Kimméridgien. L’analyse détaillée des faciès sédimentaires de trois coupes situées au Nord-Est de Bienne a permis de reconstituer les milieux de dépôt et de proposer une interprétation séquentielle et cyclostratigraphique précise du Kimméridgien du Jura central. La hiérarchie des différents ordres de séquences de dépôt mis en évidence suggère un contrôle orbital sur la sédimentation. En l’absence de marqueur biostratigraphique précis qui permettrait de justifier l’interprétation cyclostratigraphique du Kimméridgien du Jura central, les coupes de la plate-forme sont corrélées avec trois coupes du Bassin vocontien parfaitement datées par ammonites. L’interprétation sédimentologique, séquentielle et cyclostratigraphique des coupes du bassin révèlent plusieurs ordres de séquences de dépôt qui sont comparables aux différents types de séquences définis dans le Jura, et qui permettent de corréler la plate-forme et le bassin. Sur la base de ces corrélations, la durée des séquences de dépôt est calculée. De plus, les corrélations renseignent sur les relations qui existent entre la plate-forme et le bassin. Un modèle est proposé pour expliquer la formation des séquences de dépôt du Kimméridgien du Bassin vocontien. Par ailleurs, l’analyse des isotopes stables de l’oxygène et du carbone, des éléments traces et des palynofaciès ont été réalisées sur une des coupes de la plate-forme du Jura pour confirmer les corrélations entre la plate-forme et le bassin, justifier le cadre stratigraphique proposé pour le Kimméridgien du Jura central, et compléter la stratigraphie haute-résolution du Jurassique supérieur et du Crétacé inférieur suite aux travaux de PASQUIER (1995), PITTET

(1996), HILLGÄRTNER (1999), DUPRAZ (1999) et HUG

(2002).

1.1 C

1.1.1 Cadre géographique

Cette étude se base sur six coupes (Fig. 1.1). Les trois premières ont été levées dans le Jura Suisse central, au Nord de Bienne, les trois autres en France, dans le Bassin vocontien. Une des trois coupes du Bassin vocontien se situe à l’Ouest de Valence, en Ardèche, les deux autres, au Sud-Ouest de Gap, dans les Alpes de Haute-Provence.

1.1.2 Cadre paléogéographique

Au Jurassique supérieur, le Jura et le Bassin vocontien appartiennent à la marge continentale nord de l’Océan Ligure (Fig. 1.2).

Le Jura

Le domaine jurassien s’individualise dès le Trias moyen (ZIEGLER, 1988). Il s’incline vers le Sud-Est

au Dogger et devient une partie de la marge nord de l’Océan Ligure. Cette position s’accentue au Jurassique supérieur avec le développement d’une plate-forme carbonatée très peu profonde. La plate-forme du Jura FIG. 1.1: Geographical location of the studied sections in the Jura Mountains and the Vocontian Basin. Facies are taken from the Lower Kimmeridgian palaeogeographical map of DEBRAND & COURBOULEIX (1984).

Biel Lyon Gap Sisteron Grenoble Valence Geneva Montpellier _Aix VOCONTIAN BASIN MASSIF CENTRAL JURA M OUNT AINS Nice Besançon Diois Ardèche Cévennes Bauges Chartreuse Vercors Baronnies Lake of N euch âtel Lake of Geneva French-Swiss border 5 4 3 0 50 km 5 6 4 6 2 2 1 3 Basin Deep platform Shallow platform Gorges du Pichoux Gorges de Court Péry-Reuchenette Crussol Châteauneuf d'Oze la Méouge SWITZERLAND FRANCE

N

sépare le Bassin de Paris au Nord-Ouest de la Téthys au Sud-Est (Fig. 1.3). Elle est bordée au Sud par le Bassin vocontien. Au Kimméridgien, le Jura est une vaste plate-forme orientée NE-SO, presque plate et à très faible pente (MEYER, 2000), séparée au

Sud-Est de la mer ouverte par une barrière, plus ou moins continue, de barres bioclastiques, oolithiques et récifales (ENAY et al., 1988).

Le Bassin vocontien

Le Bassin vocontien est un bassin intra-cratonique limité au Nord, à l’Ouest et au Sud par les plates-formes jurassienne, languedocienne et provençale (ENAY et al., 1984). Il regroupe:

- les bordures ardéchoise et cévenole du Massif Central,

- les chaînes subalpines du Nord (Vercors, Chartreuse et Bauges),

- les chaînes subalpines du Sud (Diois et Baronnies), - les chaînes subalpines de Haute-Provence (Fig. 1.1). La coupe de Crussol se situe sur la bordure ardéchoise, les coupes de Châteauneuf d’Oze et de la Méouge appartiennent aux chaînes subalpines du Sud.

Au Kimméridgien inférieur, le Jura central et le Bassin vocontien se situent entre 25 et 30° de latitude nord (THIERRY, 2000), ce qui correspond actuellement

à la zone subtropicale.

1.1.3 Cadre paléoclimatologique

Le Jurassique supérieur correspond à une période de réorganisation climatique majeure (WEISSERT & MOHR,

1996). Au Kimméridgien, le climat est globalement chaud et humide (HALLAM, 1984, 1985), avec un

été dominé par la mousson (OSCHMANN, 1990). La

différence de température entre les pôles et l’équateur est faible. Une période de “ greenhouse ” est, selon

HALLAM (1985), l’explication la plus vraisemblable

à cette uniformité. Le Kimméridgien est une des périodes les plus humides du Jurassique (Fig. 1.4). Les simulations sur GCM (General Circulation Model) révèlent d’autre part que le climat est probablement influencé par les variations des paramètres orbitaux de la Terre (VALDES et al., 1995). Il n’est pas exclu

d’ailleurs que de la glace se soit accumulée en Antarctique (VALDES et al., 1995; PRICE, 1999) en

quantité suffisante pour provoquer, en fondant et en se reconstruisant, à l’échelle de temps Milankovitch des variations du niveau marin d’ordre métrique (VALDES

et al., 1995; SELLWOOD et al., 2000).

ATROPS & FERRY (1987) proposent une “

amélioration climatique ” au Kimméridgien supérieur pour expliquer la migration des ammonites

Crussoliceras vers le Nord et le passage à une

sédimentation plus calcaire dans le Bassin vocontien. Cette hypothèse est confirmée par MOUCHET (1998)

qui met en évidence, par la kaolinite et les isotopes stables, un changement climatique de plus aride vers tropical à subtropical humide dans le Kimméridgien

CENTRAL ATLANTIC TETHYS AB LO MC LBM RM BM N 1 2 continental relief continental plain shallow-marine environment deeper-marine environment basins floored by oceanic crust

BM Bohemian Massif AB Alboran Basin LBM London-Brabant Massif MC Massif Central RM Rhenish Massif LO Ligurian Ocean 0 1000 km Jura Mountains 1 Vocontian Basin 2

Fig. 1.2: Late Jurassic palaeogeographic map modified from ZIEGLER

(1988).

inférieur, aux environs de la limite des zones à Hypselocyclum et à Divisum (Fig. 1.5).

1.1.4 Cadre tectonique

Tectonique globale

Le Jurassique supérieur correspond à une phase intense de morcellement de la Pangée dominée par l’ouverture de l’Océan Atlantique Central (Fig. 1.2). Le déplacement relatif de l’Afrique et de l’Eurasie provoque notamment l’expansion du Bassin Alboran, l’ouverture de l’Océan Ligure et une réorientation du régime de contraintes dans les bassins nord-ouest européens (ZIEGLER, 1990). Au Jurassique

supérieur-Crétacé inférieur, l’Océan ligure est en expansion (LEMOINE et al., 1986).

Iberian Meseta

Armorican Massif

Massif Central London Brabant Massif

Rhenish Massif

Vocontian Basin Valais Trough PARIS BASIN

TETHYS

Celtic Sea Basin

Exposed land Shallow platform

Terrigenous shelf and shallow terrigenous basin

Reefs Shelf edge

Slope and deep basin above CCD

Deep basin below CCD Swiss Jura

500 km

N

Tectonique régionale

WILDI et al. (1989) retracent l’histoire de la

subsidence du Jura au cours du Mésozoïque. Le Jurassique supérieur correspond à un épisode de subsidence régionale plus rapide essentiellement commandé par la tectonique distensive de la marge nord de la Téthys. Des indices de subsidence différentielle ont été trouvée dans l’Oxfordien (KUGLER,

1987; ALLENBACH, 2001). AUBERT (1947) tente de

dater le début du plissement jurassien. Il cherche l’empreinte d’instabilités tectoniques dans les sédiments jurassiques, mais le Kimméridgien semble être une période plutôt calme. GYGI (1990) démontre

l’existence de blocs basculés, mais aucun réseau de paléofailles n’apparaît clairement pour confirmer ce résultat (Gygi, 2000).

BONIJOLY et al. (1996) distinguent deux étapes

dans l’évolution géodynamique du Bassin vocontien; un épisode de rifting du Trias au Dogger suivi d’une période de subsidence thermique qui s’achève au Crétacé. Cette dernière provoque l’élargissement du bassin qui atteint son extension maximale au Kimméridgien inférieur (ENAY et al., 1984; DUBOIS

& DELFAUD, 1989). L’étendue du domaine vocontien

diminue à nouveau au Kimméridgien supérieur suite au ralentissement de la subsidence, qui entraîne la

progradation des plates-formes de Provence et de Jura. BONIJOLY et al. (1996) notent par ailleurs que

toute déformation sur la bordure ardéchoise cesse brusquement au Kimméridgien.

1.1.5 Cadre stratigraphique

Biostratigraphie des ammonites

À la fin du Jurassique inférieur, la différenciation des espèces d’ammonites aboutit à l’établissement des domaines téthysien et boréal (HALLAM, 1975).

Le Jura et le Bassin vocontien appartiennent au domaine téthysien. Le fort provincialisme, qui est indiqué par les faunes d’ammonites de l’Oxfordien supérieur et du Kimméridgien inférieur, complique les corrélations entre ces deux domaines. La limite Oxfordien-Kimméridgien, jusqu’alors située entre les zones à Planula et à Platynota, a été déplacée à la base de l’horizon à Bauhini (Fig. 1.5) suite à la découverte de faunes boréales (Amoeboceras) au sein des séries téthysiennes de la bordure ardéchoise, de Souabe-Franconie et du Jura Polonais (ATROPS et al., 1993;

SCHWEIGERT & CALLOMON, 1997; HANTZPERGUE et al.,

1998). Le Kimméridgien s’étend désormais du sommet de la zone à Bimammatum au sommet de la zone à Beckeri (Fig. 1.5).

Fig. 1.3: Early Kimmeridgian (146-144

Ma) palaeoenvironmental map modi-fied from DERCOURT et al. (1993).

Stratigraphie séquentielle

Les séquences de dépôt du Kimméridgien (Fig. 1.5) pour l’Europe du Nord et du Nord-Ouest sont réunies dans le tableau de HARDENBOL et al. (1998).

Les fortes fluctuations à long terme du niveau marin enregistrées au Jurassique supérieur sont sans doute d’origine tectono-eustatique, bien qu’une contribution d’origine glacio-eustatique ne puisse être écartée (PRICE, 1999). Le niveau marin monte du Callovien

au Kimméridgien moyen (Fig. 1.4), chute pendant le Kimméridgien supérieur et le Tithonien pour atteindre un bas niveau à la limite Jurassique-Crétacé (HALLAM,

1988; HAQ et al., 1987). La zone à Eudoxus (Fig.

1.5) enregistre un approfondissement majeur, qui est enregistré dans les régions situées du Sud de l’Angleterre au Groënland (WIGNALL, 1994; TAYLOR et

al., 2001). Cet approfondissement se manifeste entre autres par la formation de black shales, qui constituent la principale roche-mère du pétrole de la Mer du Nord et de la Sibérie. GYGI et al. (1998) relèvent de

nombreuses similarités entre le Jurassique supérieur d’Angleterre et celui du Jura.

1.2 L

K

J

Le Jura se divise en trois parties structurales: - le Jura méridional où les anticlinaux et les synclinaux sont orientées Nord-Sud,

- le Jura central où les plis sont parallèles à l’allongement de la chaîne c’est-à-dire SO-NE, - le Jura septentrional tabulaire.

Cette étude concerne le Kimméridgien qui correspond dans le Jura central à la Formation de Reuchenette

(THALMANN, 1966).

1.2.1 Historique

WEBSTER (1816) est le premier à utiliser le terme “

Kimméridgien ” pour désigner les séries argileuses et calcaires, mieux connues sous le nom de Kimmeridge Clay, qui affleurent sur l’île de Wight, au-dessous de l’ “ Oolithe de Portland ”. THURMANN (1832) assimile

les Marnes et Calcaires du Banné à la Kimmeridge Clay d’Angleterre, et emploie le terme Kimméridgien pour décrire le Malm du Jura Suisse. D’ORBIGNY

(1842-1849) définit un horizon à Ammonites lallieri,

Ostrea deltoidea et O. virgula qu’il corrèle avec les

Marnes et Calcaires du Banné de THURMANN (1832).

Il confirme à partir des ammonites que cet horizon correspond aux Kimmeridge Clay d’Angleterre.

THURMANN (1852) publie une carte géologique au

1:200 000 de la région comprise entre Neuchâtel

et le Kaiserstuhl. GREPPIN (1870) publie la première

édition de la carte géologique de la Suisse au 1:100 000 qui mentionne le Kimméridgien. ROLLIER (1888)

décrit le profil complet du Malm (de l’Oxfordien au Portlandien) de la cluse de Rondchâtel (région de Péry-Reuchenette). ROLLIER (1904) publie la deuxième

édition de la carte géologique de la Suisse au 1:100 000 à partir des travaux qu’il a réalisé entre 1885 et 1902.

MÜLLER (1941) corrèle le Portlandien des géologues

français et suisses avec le Kimméridgien moyen et supérieur d’Angleterre. ARKELL (1956) propose

d’appliquer la définition des étages d’après les profils types d’Angleterre aux formations jurassiennes. Le BRITISH MESOZOIC COMMITTEE (1963) propose

le Kimméridgien inférieur d’Angleterre comme équivalent du Kimméridgien des géologues français et suisses. THALMANN (1966) rédige un historique détaillé,

décrit la coupe de Reuchenette, située à proximité de Péry-Reuchenette, au Nord de Bienne, et donne le nom de Formation de Reuchenette à la lithologie typique du Kimméridgien du Jura central, qu’il assimile dans sa globalité au Kimméridgien inférieur

de ARKELL (1956), c’est-à-dire au Kimméridgien sensu

gallico. Plus récemment, HAUSER (1994) fait une étude

sédimentologique détaillée de deux coupes, y compris celle de Reuchenette. Il décrit les microfaciès, élabore un modèle de faciès et dresse un profil-type où il définit Fig. 1.4: Sea-level and humidity cycles during the Jurassic

modified from PRICE (1999). 2nd-order eustatic sea-level curve

taken from HAQ et al. (1987). Tithonian Kimmeridgian Oxfordian Callovian Bathonian Bajocian Aalenian Toarcian Pliensbachian Sinemurian Hettangian JURASSI C Sea level Stages Humidity humid lo w

high alternatin arid

plusieurs cycles sédimentaires. MOUCHET (1995, 1998)

donne un historique détaillé, travaille sur plusieurs coupes et forages dans la région de Neuchâtel, de Bienne, et plus au Nord, dans le canton du Jura. Il étudie en détail les microfaciès et la minéralogie. Il définit deux discontinuités majeures DKIMM1(ou D1) et DKIMM2(ou D2) à partir de corrélations basées sur les surfaces observées sur le terrain, les courbes d’évolution des microfaciès et la kaolinite. Elles sont respectivement situées dans la zone à Hypselocyclum/ base Divisum et dans la zone à Autissiodorensis.

1.2.2 Lithostratigraphie

La Formation de Reuchenette est une épaisse série (140 m en moyenne) de calcaires micritiques clairs. Les limites inférieure et supérieure de cette formation sont clairement identifiables (Fig. 1.5). La limite inférieure coïncide avec le sommet des calcaires oolithiques de couleur blanche du Membre de Sainte-Vérène, qui est souligné par une surface d’émersion et par un brusque changement de faciès (de grainstones à mudstones). La limite supérieure de la Formation de Reuchenette est indiquée localement par le Banc à Nérinées (deux bancs riches en gastéropodes séparés par un intervalle micritique), qui est étudié en détail par

DAUWALDER & RÉMANE (1979), par une surface

rouge-brique corrodée et perforée, par les Marnes à Exogyra

virgula (calcaires marneux jaunâtres contenant de

nombreuses petites huîtres arquées et crochues), qui sont décrites par AUBERT (1932, 1950), et/ou par le

début des Calcaires en Plaquettes (calcaires finement stratifiés) du Portlandien.

Le Banc à Nérinées et les Marnes à Exogyra

virgula constituent des repères lithologiques. Ils

marquent localement le passage d’une formation à une autre, mais sont inutilisables pour des corrélations chronostratigraphiques d’échelle régionale. ENAY et al.

(1984) discutent du caractère diachrone des Marnes à Exogyra virgula, et AUBERT (1950) note, dans la

Vallée de Joux (au Sud-Ouest du Jura), l’existence de plusieurs niveaux riches en huîtres.

1.2.3 Biostratigraphie

Les fossiles à valeur biostratigraphique sont peu abondants et les éléments de datation rares. Les principales unités lithostratigraphiques (Membre de Sainte-Vérène et Formation de Reuchenette) sont à défaut d’argument contraire considérées comme isochrones (GYGI, 2000).

Ammonites

Des corrélations régionales basées sur les variations du contenu en kaolinite de calcaires d’âge oxfordien-kimméridgien ont permis de dater le sommet du Membre de Sainte-Vérène de la zone à Platynota (GYGI & PERSOZ, 1986) (Fig. 1.5). Par ailleurs, GYGI

(1995) et MEYER & PITTMAN (1994) placent la limite

entre la Formation de Reuchenette et le Portlandien dans la zone à Autissiodorensis. Enfin, Gravesia

polypleura HAHN a été trouvée à proximité de

Bözingen (586.890/222.770) 35 m au-dessus du Banc à Nérinées (THALMANN, 1966), et situe les Calcaires en

Plaquettes du Portlandien dans la zone à Gigas. Cette observation est confirmée par la présence dans la partie inférieure du Portlandien de l’ostracode Macrodentina

(M.) klingeri MALZ, qui est caractéristique des zones

à Autissiodorensis et Gigas (HÄFELI, 1966; MEYER,

1993).

Autres marqueurs biostratigraphiques

L’éponge Cladocoropsis mirabilis serait un marqueur régional très important de la limite Kimméridgien-Portlandien. MOUCHET (1995) le trouve

en grande quantité dans toutes les coupes et les forages levés au sommet du Kimméridgien, juste en dessous des Marnes à Exogyra virgula et du Banc à Nérinées.

Les algues dasycladales Clypeina jurassica et

Campbelliella striata apparaîtraient simultanément au

début de la zone d’ammonites à Beckeri (STROHMENGER

et al., 1991). Par ailleurs, l’association Clypeina

jurassica, Campbelliella striata, et Salpingoporella annulata aurait une réelle valeur stratigraphique et

serait caractéristique du Malm supérieur (FLÜGEL,

1982).

BERNIER (1984) donne deux tableaux de répartition

stratigraphique des algues et des foraminifères benthiques du Jurassique supérieur du Jura. Ces deux tableaux sont basés sur l’étude de coupes situées pour la plupart dans le Jura méridional français. Le Kimméridgien compte notamment deux espèces de foraminifères du genre Alveosepta: A. jaccardi et A.

powersi. Contrairement à A. jaccardi qui est reconnue

dans tout l’intervalle, A. powersi serait un marqueur du Kimméridgien supérieur (Bernier, 1984). Néanmoins, différencier ces deux espèces en lame mince est un exercice délicat qui n’a pas été entrepris dans cette étude.

Fig. 1.5: Stratigraphic chart for the studied interval and associated formations

in the Jura Mountains and the Vocontian Basin.

Il est toutefois difficile d’estimer la valeur stratigraphique de ces marqueurs sachant que leur répartition dépend essentiellement des conditions écologiques.

1.3 L

K

B

VOCON

-

1.3.1 Historique

Plusieurs études, souvent

complémentaires, ont récemment fait avancer l’état des connaissances sur le Kimméridgien du Bassin vocontien. ATROPS (1982) donne

une biostratigraphie détaillée du Kimméridgien inférieur; ATROPS & FERRY

(1987) discutent de l’origine des trois glissements sous-marins recensés dans le Kimméridgien inférieur; DROMART & ATROPS

(1988) discutent de la valeur stratigraphique des microorganismes du Jurassique supérieur;

DROMART (1989) décrit les calcaires noduleux,

type Ammonitico Rosso, observés sur la bordure ardéchoise et discute les différents processus sédimentaires potentiellement responsables de leur formation; DROMART et

al. (1993) corrèlent deux coupes, l’une située en bordure du bassin, l’autre en position plus distale, proposent une interprétation séquentielle et discutent des facteurs responsables de la formation des séquences de dépôt observées; MOUSSINE-POUCHKINE

et al. (1998a, 1998b) corrèlent banc par banc plusieurs coupes du Kimméridgien inférieur et proposent une stratigraphie haute-résolution de la sous-zone à Lothari;

BOMBARDIERE (1998) et BOMBARDIERE &

GORIN (1998, 2000) analysent en détail

les palynofaciès du Kimméridgien et comparent leur distribution à un découpage séquentiel établi par ailleurs; JANDU CHENE

et al. (2000) proposent une stratigraphie détaillée de l’Oxfordien supérieur - Kimméridgien inférieur basée sur la compilation de données paléontologiques, palynologiques et géochimiques.

1.3.2 Lithostratigraphie

Le Kimméridgien du Bassin vocontien est une série hémipélagique à pélagique constituée d’une partie plus marneuse, qui représente le Kimméridgien inférieur, et d’une

T i 1 K im 5 K im 4 K im 3 K im 2 K im 1 O x 8 O x 7 O x 6 Se q u en ce s Seq ue n ce s 15 3. 98 15 3. 54 15 2. 70 15 2. 01 15 0. 86 T i 1 K im 7 K im 6 K im 4 K im 5 K im 3 K im 2 K im 1 Ox 8 Ox 7 Ox 6 Pse ud o-co rd at a Re gu la re Serratum B ay le i C ym o d o ce Mu ta b ili s R oze n-kra nt zi Eu d o xu s A u ti ss io d o re n si s El eg an s G ig as C au tis-ni gra e V ere na Me mb er R eu ch en et te F m "Po rt la nd ie n" R essa ut à Ba ld eru m V ire à C ru sso lice ra s Sw iss J u ra (G YGI , 1 99 5) V o co nti an Ba sin (E N A Y e t al . 19 84 ) Ma rn es à E. vi rg ul a Ba nc à N éri né es U pp er Ki mme rid gi an (ma ssi ve li me st on es) Lo w er Ki mme rid gi an 15 0. 7( 3 .0 ) + 15 4. 1( 3 .2 ) + K IMMER ID G IA N se n su g al lic o LOWER KIMMER ID GIA N o glic an su sen UP. KI M. s. a . T IT H O N IAN O XF O R D IAN LO WER LO

WER UPPER UPPER

ST A G ES S C H W EI G ER T & C AL LO MO N (1 99 7) F O R MA T IO N S B ec ke ri Eu d o xu s A ca n th ic u m D iv is u m H yp sel o cycl u m Pl aty n o ta Pl an ul a Bi ma mma tu m Bi fu rca tu s H yb on ot um Ba uh in i A m m o n ite s A mmoni tes T R T R T-R fa ci es cy cl es T ET H Y A N R EA L M H AR D EN BO L e t a l. (1 99 8) B O R EA L R EA L M H AR D EN BO L et a l. (1 99 8) ma rker be ds m arl y int erva ls se que nc e boundary m axi m um -fl oodi ng s urfa ce / c ondensed sec tion st udi ed i nt erval a b a ac cordi ng t o S CH W E IG E R T & CA L L O M O N (1997) b ac cordi ng t o H A RD E N BO L e t a l. (1998)

partie plus calcaire, qui correspond au Kimméridgien supérieur. La sédimentation plus marneuse débute au sommet de la zone à Planula (sous-zone à Galar) par une première vire marneuse (Fig. 1.5), se poursuit dans la zone à Platynota pour culminer à la base de la zone à Hypselocyclum, qui forme une deuxième vire. Le retour à une sédimentation plus calcaire est interrompu au sommet de la zone à Divisum par un troisième intervalle marneux: la Vire à Crussoliceras, qui précède les calcaires massifs du Ressaut à Balderum

(ATROPS, 1982). La falaise massive du Kimméridgien

supérieur débute au niveau de la zone à Eudoxus (ENAY

et al., 1984). Ces ensembles affleurent dans tout le bassin, des parties les plus profondes aux bordures. Les ammonites montrent le caractère isochrone de ces changements de lithologie (ATROPS, 1982).

1.3.3 Biostratigraphie

Le Kimméridgien inférieur est particulièrement riche en ammonites. L’évolution du groupe des

Ataxioceratidae, notamment, est à l’origine d’une

échelle biostratigraphique très détaillée (ATROPS,

1982).

La lithostratigraphie et la biostratigraphie permettent des corrélations à longue distance très précises (MOUSSINE-POUCHKINE et al., 1998a).

1.4 M

Cette étude est basée sur le lever banc par banc de six coupes: trois coupes de référence sur la plate-forme peu profonde du Jura, les Gorges du Pichoux, les Gorges de Court et Péry-Reuchenette, et trois coupes complémentaires dans le Bassin vocontien (Fig. 1.1).

Les coupes du Jura ont été choisies en continuité des coupes étudiées par PITTET (1996) et HUG (2002)

dans l’Oxfordien moyen et supérieur. Elles présentent peu de lacunes d’affleurement et sont peu ou pas tectonisées. Un grand nombre d’échantillons a été prélevé, au changement de lithologie, à la base et/ou au sommet des bancs.

Les coupes du Bassin vocontien ont été sélectionnées en fonction des données disponibles dans la littérature et de leur emplacement dans le bassin par rapport à la plate-forme. La coupe de Crussol (Fig. 1.1), parfaitement datée par ammonites (ATROPS,

1982), est située en bordure du bassin. La coupe de Châteauneuf d’Oze se trouve dans une position intermédiaire et a été l’objet de nombreux travaux concernant la biostratigraphie des ammonites (ATROPS,

1982), les palynofaciès (BOMBARDIERE, 1998;

BOMBARDIERE & GORIN, 2000) et la géochimie des

isotopes stables et du manganèse (DE RAFÉLIS, 2000). La

coupe de la Méouge se situe dans une région profonde, loin de toute influence de transport gravitaire. Elle a été étudiée par DE RAFÉLIS (2000), qui propose des

corrélations avec la coupe de Châteauneuf d’Oze, ainsi que par LANGOISSEUX (2001), qui s’est également

intéressé à la coupe de Crussol. Ces trois coupes ont été levées en détail, mais beaucoup moins échantillonnées par rapport aux coupes du Jura.

Chaque échantillon a été scié. Les tranches ont ensuite été passées à l’acide chlorhydrique pour augmenter le contraste entre les constituants, et observées à la loupe binoculaire. Certaines d’entre elles ont été sélectionnées pour une étude plus approfondie au microscope polarisant. Sur 500 mètres environ de coupes levées dans le Jura, 650 échantillons ont été prélevés, 530 lames minces observées. Dans le bassin, 200 mètres de coupes environ ont été levés, 118 échantillons prélevés et 106 lames minces étudiées. Par ailleurs, des analyses complémentaires ont été réalisées sur les coupes du Jura central:

- les isotopes stables sur 54 échantillons de la coupe des Gorges du Pichoux (M. PADDEN, ETH Zürich),

- les éléments traces sur 62 échantillons de la coupe des Gorges du Pichoux (L. EMMANUEL, Université de

Dijon),

- les argiles sur 37 échantillons de la coupe des Gorges du Pichoux (J.-F. DECONINCK, Université de Lille),

- les palynofaciès sur 6 échantillons, 1 de la coupe des Gorges du Pichoux, 2 de la coupe des Gorges de Court et 3 de la coupe de Péry-Reuchenette (G. GORIN,

Université de Genève).

Les carbonates marins sont principalement biogéniques. La production carbonatée dépend par conséquent au moins en partie du cadre de vie des organismes producteurs, essentiellement contrôlé par les conditions physico-chimiques de l’océan comme la température, la salinité, la profondeur, le substrat, la turbidité, l’agitation de l’eau et l’apport de nutriments. Les faciès sédimentaires résultent des variations indépendantes ou interdépendantes de l’ensemble de ces facteurs. Leur étude détaillée permet par conséquent d’interpréter les sédiments en environnements de dépôt et de proposer un modèle de plate-forme.

2.1 D

Le Kimméridgien du Jura central a la réputation d’être une série relativement homogène. L’étude sédimentologique détaillée de cette succession montre en définitive un large spectre de faciès et de microfaciès.

Faciès sédimentaire

Le faciès est défini par l’ensemble des caractères macroscopiques propres au sédiment comme la lithologie, les structures sédimentaires, la texture et les éléments figurés. L’intervalle étudié est principalement composé de calcaires massifs clairs et d’intervalles de calcaires marneux et/ou dolomitiques. Certaines structures sédimentaires ont été observées sur le terrain, le plus grand nombre a été décrit à partir des lames minces. La texture rend compte de la nature de la phase de liaison et du rapport phase de liaison-éléments figurés. Définie d’après DUNHAM (1962) et

FOLK (1962), elle traduit également l’agitation du

milieu. La matrice est composée de micrite grise, parfois recristallisée, et n’a pas été l’objet d’une étude approfondie. Les principaux éléments figurés et structures sédimentaires observés sont décrits en détail dans ce chapitre.

Microfaciès

Le microfaciès englobe l’ensemble des caractères sédimentologiques et paléontologiques visibles en lames minces, en peels ou en tranches à l’aide du microscope optique ou de la loupe binoculaire (FLÜGEL,

1982). L’analyse des sédiments au microscope permet une meilleure définition du contenu fossilifère, des structures sédimentaires et notamment des caractères diagénétiques. L’étude de la diagenèse ne fait pas partie des objectifs de ce travail et se limite aux observations faites sur le terrain et d’après les lames minces. Toutes les lames minces étudiées pour les coupes du Jura sont classées, en fonction des microfaciès définis, dans l’annexe 1.

La figure 2.1 regroupe l’ensemble des microfaciès observés dans les coupes étudiées. Ce tableau est purement descriptif. Le contenu en fossiles notamment contient à la fois les faunes et flores autochtones et allochtones. Une synthèse de ces données (Fig. 2.4) est l’objet du paragraphe suivant concernant les zones de faciès.

L’interprétation des faciès et des microfaciès en environnements de dépôt est principalement basée sur WILSON (1975), FLÜGEL (1982), SCHOLLE et al.

(1983) et TUCKER & WRIGHT (1990). L’interprétation

sédimentologique de chacune des coupes étudiées est présentée en détail dans le chapitre 4.2.1. Elle est essentielle dans la mesure où l’interprétation séquentielle et cyclostratigraphique des coupes se basent en majeure partie sur l’évolution au cours du temps des milieux de dépôt.

2.2

Les sédiments carbonatés sont essentiellement composés de grains carbonatés, bioclastiques ou non, formés à proximité ou à l’intérieur même des